专利名称：太阳能电池设备及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池设备及其制造方法。
背景技术：
随着能量需求的增长，正在积极地对将太阳能转化为电能的太阳能电池进行研究。具体地，已广泛使用基于铜-铟-镓-硒(CIGS)的太阳能电池，所述基于铜-铟-镓-硒的太阳能电池是Pn异质结设备。这里，这种基于CIGS的太阳能电池具有包括玻璃衬底、金属后电极层、P型基于CIGS的光吸收层、高电阻缓冲层和n型窗口层的衬底结构。为了形成基于CIGS的光吸收层，在形成CIG层之后进行硒化过程。然而，在上述过程中，存在难以控制硒(Se)在基于CIGS的光吸收层内的化学计量组分比(stoichiometric composition ratio)和Se的消耗增大的限制。
发明内容
技术问题本发明提供一种太阳能电池设备及其制造方法，所述太阳能电池包括具有改进的特性的光吸收层。技术方案在一个实施例中，一种太阳能电池设备包括衬底；后电极层，布置在所述衬底上；薄膜层，布置在所述后电极层上，所述薄膜层包含基于VI族的元素；光吸收层，布置在所述薄膜层上；以及前电极层，布置在所述光吸收层上。在另一个实施例中，一种太阳能电池设备包括衬底；布置在所述衬底上的后电极层；布置在所述后电极层上的光吸收层，所述光吸收层包含基于I族、III族、VI族的化合物；以及布置在所述光吸收层上的前电极层，其中，所述光吸收层包括毗邻所述后电极层的第一区域，所述第一区域包含第一组分的基于VI族的元素；以及布置在所述第一区域上的第二区域，所述第二区域包含小于所述第一组分的第二组分的基于VI族的元素。在又一个实施例中，一种太阳能电池设备的制造方法包括在衬底上形成后电极层；在所述后电极层上形成包含基于VI族的元素的薄膜层；在所述薄膜层上供应基于I族的元素和基于III族的元素，从而在所述后电极层上形成包含基于I族、III族、VI族的化合物的光吸收层；以及在所述光吸收层上形成前电极层。有益效果在包含VI族元素的薄膜层400形成之后，可以利用基于I族的元素和基于III族的元素来形成根据实施例的太阳能电池设备的光吸收层。就是说，可以首先沉积VI族元素，然后可以沉积I族元素和III族元素，以形成光吸收层。因此，可以将VI族元素均匀地分布在光吸收层上。就是说，由于VI族元素可以具有低的蒸发温度，因此难以在光吸收层上均匀地分布VI族元素。这里，可以首先形成薄膜层，然后可以沉积I族元素和III族元素。之后，薄膜层的VI族元素可以被扩散到基于I族、III族的金属前驱层中，从而形成光吸收层。因此，可以将VI族元素均匀地分布在光吸收层上，以防止缺少VI族元素。因此，在根据实施例的太阳能电池设备中，可以防止光吸收层的性能由于缺少VI族元素而下降，从而形成具有改进的特性的光吸收层。因此，根据实例的太阳能电池设备可以具有提闻的光电转换效率。另外，当后电极层被多个通孔划分为多个后电极时，薄膜层可以保留在通孔的内表面上。就是说，薄膜层可以沉积在后电极的侧表面上，从而有效地使后电极互相绝缘。因此，可以防止后电极互相短路，并且根据实施例的太阳能电池设备可以具有改进的电特性。
图I至图9是示出根据实施例的太阳能电池制造过程的剖视图。
具体实施例方式在实施例的描述中，应该理解，当衬底、层、膜或电极等被表述为在其它衬底、层、膜或电极“上”或“下”时，术语“上”和“下”包括“直接地”和“间接地”的含义。此外，将基于附图确定在各个组成层的“上”和“下”。另外，为了进一步理解本公开，可以夸大元件的尺寸和元件之间的相对尺寸。在下文中，将参照图I至图9来描述根据实施例的太阳能电池和该太阳能电池的制造方法。参照图1，后电极层200形成在衬底100上，并且多个第一通孔Pl限定在后电极层200中。因此，第一通孔Pl将后电极层200划分为多个后电极。 衬底100可以由玻璃形成。另外，衬底100也可以包括陶瓷衬底、金属衬底和聚合物衬底。例如，玻璃衬底可以由钠钙玻璃或高应变点钠玻璃形成。金属衬底可以包括由不锈钢或钛形成的衬底。聚合物衬底可以由聚酰亚胺形成。衬底100可以是透明的。衬底100可以是刚性或挠性的。后电极层200可以由诸如金属的导体形成。例如，后电极层200可以利用钥(Mo)作为靶通过溅射过程而形成。这是由于钥具有高电导率、与光吸收层的欧姆接触特性和在Se气氛下的高温稳定性。Mo薄膜(即，后电极层200)需要具有如电极一样的低电阻率，并且需要具有与衬底100的优异粘附特性，以便防止由于热膨胀系数差异导致的脱层现象。然而，本公开不限于此。例如，电极层200可以由掺杂Na离子的Mo形成。尽管未示出，但后电极层200可以包括至少一个层。当后电极层200包括多个层时，构成后电极层200的多个层可以由互不相同的材料形成。在后电极层200形成在衬底100上之后，可以通过图案化过程限定第一通孔P1。就是说，后电极层200可以被第一通孔Pl划分为多个后电极。利用第一通孔Pl可以选择性地露出衬底100的上表面。例如，可以通过激光过程或机械过程对第一通孔Pl进行图案化。各个第一通孔Pl的宽度可以是约80iim±20。通过第一通孔Pl可以将后电极层200划分为各自具有条形或矩阵形状的后电极。这里，所述后电极可以分别与各个电池相对应。本公开的后电极层200不限于上述形状。例如，后电极层200可以具有多种形状。参照图2，在形成有后电极层200的衬底100上形成包含VI族元素的薄膜层400。例如，薄膜层400可以由硒(Se)形成。薄膜层400可以具有约Iym到约5 y m的厚度。薄膜层400可以利用硒(Se)作为靶通过溅射过程而形成。或者，薄膜层400可以利用Se晶粒(celI)通过蒸发而形成。薄膜层400可以具有比后电极层200的厚度大I倍至5倍的厚度。
薄膜层400可以填充第一通孔Pl内的间隙，并且与露出的衬底100的表面接触。就是说，薄膜层400可以形成在第一通孔Pl的内表面上。薄膜层400可以形成在第一通孔Pl的底面上，以防止在由后电极层200划分成的多个后电极之间发生漏电流。薄膜层400可以形成为在包括后电极层200的衬底100上具有预定的厚度。因此，在形成稍后形成的光吸收层时，可以容易地控制基于VI族的元素的化学计量组分比。当薄膜层400形成在后电极层200上时，构成后电极层200的金属元素与薄膜层400的VI族的元素可以相互反应，因而相互结合。因此，合金层300可以形成在后电极层200与薄膜层400之间的界面上。例如，合金层300可以由硒化钥形成，硒化钥是Mo和Se的化合物。详细地，合金层300可以由MoSe2形成。就是说，合金层300可以沿着后电极层200的表面形成。另外,合金层300可以用作后电极层200的保护层或者引起与吸收层的欧姆接触。参照图3和图4，包含基于I、III、VI族的化合物的光吸收层500可以形成在后电极层200上。具体地，光吸收层500可以由基于铜-铟-镓-硒(Cu(In，Ga)Se2 ;基于CIGS)的化合物形成。或者，光吸收层500可以由基于铜-铟-硒(CuInSe2 ;基于CIS)的化合物或者由基于铜-镓-硒(CuGaSe2 ;基于CGS)的化合物形成。例如，光吸收层500可以具有约2 ii m到约4 ii m的厚度。光吸收层500可以接收外部光以将入射光转换为电能。光吸收层500通过光电效
应产生光电动势。再参照图3，光吸收层500可以通过蒸发形成。具体地，光吸收层500可以通过共蒸发形成。为了形成光吸收层500，通过蒸发将I族元素和III族元素供应到薄膜层400。例如，可以将铜、铟和镓供应到薄膜层400，以形成光吸收层500。或者，可以将铜、铟、镓和硒供应到薄膜层400，以形成光吸收层500就是说，光吸收层500可以使用包含I族元素的第一原料和包含III族元素的第二原料通过蒸发来形成。例如，光吸收层500可以使用铜原料、铟原料、镓原料和/或硒原料通过蒸发来形成。
这里，铜原料可以是由在约1，300°C至约1，500°C的温度下进行加热的铜形成的铜晶粒。铟原料可以是由在约1，100°C至约1，200°C的温度下进行加热的铟形成的铟晶粒。镓原料可以是由在约1，100°C至约l，300°c的温度下进行加热的镓形成的镓晶粒。硒原料可以是由在约200°C至约400°C的温度下进行加热的硒形成的硒晶粒。在形成光吸收层500的过程中，分别在恒定速率和高温下蒸发铜原料的铜、铟原料的铟、镓原料的镓和硒原料的硒。因此，被蒸发的铜、铟和镓与包含在薄膜层400中的硒反应，从而形成基于铜-铟-镓-硒的化合物。另外，被蒸发的硒可以设置在薄膜层400上，以形成具有均匀组分的CIGS光吸收层。这里，可以防止包含在薄膜层4 00中挥发性高的硒由于沉积在薄膜层400上的铜、铟和镓而被分离。因此，包含在薄膜层400中的大部分硒可以与被蒸发的铜、铟和镓反应，从而形成具有基于铜-铟-镓-硒的晶体结构的光吸收层500。就是说，基于铜-铟-镓的金属前驱层可以形成在薄膜层400上，并且包含在薄膜层400中的硒可以扩散到该金属前驱层上，从而形成光吸收层500。这里，可以防止包含在薄膜层400中的硒由于所述金属前驱层而被分离。通过在形成光吸收层500的过程中施加的热能，硒可以再次扩散到布置在薄膜层400下面的MoSe2层中。之后，MoSe2层的厚度相比其初始厚度增大。然后，当MoSe2层的厚度大于硒的临界扩散距离时，不再进行硒的扩散过程。另外，当薄膜层400的大部分可以与铜、铟和镓联结以形成光吸收层500时，可以保留薄膜层400与后电极层200毗邻的下部区域410，因为它不与上述材料反应。这里，剩余的薄膜层410可以具有约IOnm到约IOOnm的厚度。或者，包含在薄膜层400中的全部硒可以进行反应，从而在后电极层200与光吸收层500之间不保留薄膜层400。就是说，合金层300可以直接接触光吸收层500。通常，在形成光吸收层时，硒的消耗比铜、铟和镓要多大约15倍到大约20倍。另夕卜，由于硒的挥发性高，因此，硒的沉积也不如铜、铟和镓的沉积。因而，硒在基于CIGS的光吸收层上可以具有不均匀的组分。在本实施例中，由于在光吸收层500形成之前在衬底100上形成由硒形成的薄膜层400，之后，形成基于CIGS的光吸收层500，因此可以控制光吸收层500的化学计量组分比。另外，由于防止了包含在薄膜层400中的硒蒸发，因而可以减少硒的消耗。就是说，铜、铟和镓可以沉积在薄膜层400上，以防止包含在薄膜层400中的硒蒸发。另外，如图5所示，在剩余的薄膜层410上的硒可以具有最高的浓度分布。另外，光吸收层500可以具有第一区域和第二区域。第一区域与后电极层200毗邻。详细地，第一区域与剩余的薄膜层410毗邻。更详细地，第一区域布置在剩余的薄膜层410上。第一区域可以具有较大量的硒。更详细地，第一区域可以由具有较高硒组分的基于CIGS的化合物来形成。第二区域与前电极层800毗邻。详细地，第二区域与缓冲层600毗邻。第二区域布置在第一区域上。第二区域的厚度可以对应于光吸收层500的厚度的大约80%到大约99%。
第二区域可以包含较少量的硒。更详细地，第二区域包含的硒的量可以少于第一区域和剩余的薄膜层410包含的硒的量。第二区域可以由具有较低硒组分的基于CIGS的化合物来形成。第二区域中的硒组分可以低于第一区域。另外，不论第二区域的位置在哪里，第二区域都可以具有恒定的浓度分布。剩余的薄膜层410也可以布置在第一通孔Pl的内表面上。因此，剩余的薄膜层410可以布置在第一通孔Pl的内表面上，以防止后电极之间出现分流电路(shunt path)。参照图6，缓冲层600和高阻缓冲层700形成在光吸收层500上。
缓冲层600可以在光吸收层500上形成为至少一层。另外，缓冲层600可以通过化学浴(CBD)沉积由硫化镉(CdS)形成。这里，缓冲层600可以是N型半导体层，光吸收层500可以是P型半导体层。因此，光吸收层500和缓冲层600可以互相形成PN结。高阻缓冲层700可以作为透明电极层形成在缓冲层600上。例如，高阻缓冲层700可以由ITO、ZnO和i_ZnO中的一种形成。高阻缓冲层700可以利用氧化锌(ZnO)作为靶通过溅射过程形成为氧化锌层。缓冲层600和高阻缓冲层700可以布置在光吸收层500与后面形成的前电极之间。就是说，由于光吸收层500与前电极之间的晶格常数和能带隙之间的差异大，因此，可以将带隙分别对应于光吸收层500和前电极的带隙值的中间值的缓冲层600和高阻缓冲层700插入到光吸收层500与前电极之间，从而实现光吸收层500与前电极之间的良
好结合。尽管在本实施例中有两个缓冲层600形成在光吸收层500上，但是缓冲层600可以仅形成为单个层。参照图7，限定穿过高阻缓冲层700、缓冲层600、光吸收层500、剩余薄膜层410和合金层300的第二通孔P2。通过第二通孔P2可以露出后电极层200。或者，可以通过第二通孔P2露出合金层300的表面。可以通过激光过程或机械图案化过程形成第二通孔P2。第二通孔P2可以毗邻第一通孔Pl形成。例如，每个第二通孔P2可以具有约SOymiZOym的宽度。另外，每个第二通孔P2与每个第一通孔Pl之间的间隙可以是约80 u m±20 u m。参照图8，透明导电材料堆叠在高阻缓冲层700上，以形成前电极层800。当前电极层800形成时，可以将透明导电材料插入第二通孔P2中，以形成连接线900。连接线900可以通过第二通孔P2直接与后电极层200连接。前电极层800可以通过溅射过程由掺杂铝(Al)或氧化铝(Al2O3)的氧化锌形成。前电极层800可以是用来与光吸收层500形成pn结的窗口层。由于前电极层800用作太阳能电池前表面的透明电极，因此前电极层800可以由具有高透光率和高电导率的氧化锌(ZnO)形成。因此，可以在ZnO中掺杂Al或Al2O3,以形成具有低电阻值的电极。
作为前电极层800的ZnO薄膜可以通过利用ZnO靶的射频(RF)溅射法、利用Zn靶的反应溅射法、或者金属有机化学气相沉积法来形成。另外，ZnO薄膜可以具有双层结构，在该双层结构中，具有优异光电特性的氧化铟锡(HO)薄膜沉积在ZnO薄膜上。参照图9，限定穿过前电极层800、高阻缓冲层700、缓冲层600、光吸收层500、剩余薄膜层410、合金层300的第三通孔P3。可以通过第三通孔P3选择性地露出后电极层200。或者，可以通过第三通孔P3选择性地露出合金层300的表面。
第三通孔P3可以毗邻第二通孔P2形成。例如，每个第三通孔P3可以具有约80iim±20iim的宽度。另外，每个第三通孔P3与每个第二通孔P2之间的间隙可以是约80 ii m±20 ii m。可以通过照射激光或者通过诸如尖头工具的机械方法来形成第三通孔P3。在形成第三通孔P3时,可以通过合金层300来保护后电极层200的表面。就是说，由于合金层300形成在后电极层200的表面上，因此，当进行利用激光或尖头工具的刻蚀过程时，合金层300可以用作后电极层200的保护层，从而防止后电极层200被损坏。光吸收层300、缓冲层400、高级缓冲层500和前电极层600中的每个可以被互相隔开为电池单元。所述电池可以通过连接线700互相连接。就是说，连接线700将互相毗邻的电池的后电极层200与前电极600物理地和电连接。在包含VI族元素的薄膜层400形成之后，可以利用基于I族的元素和基于III族的元素来形成光吸收层500。就是说，可以首先沉积VI族元素，然后可以沉积I族元素和III族元素，以形成光吸收层500。因此，可以将VI族元素均匀地分布在光吸收层500上。就是说，由于VI族元素可以具有低的蒸发温度，因此难以在光吸收层500上均匀地分布VI族元素。这里，可以首先形成薄膜层400，然后可以沉积I族元素和III族元素。之后，薄膜层400的VI族元素可以被扩散到基于I、III族的金属前驱层中，从而形成光吸收层500。因此，可以将VI族元素均匀地分布在光吸收层500上，以防止缺少VI族元素。因此，在根据实施例的太阳能电池设备中，可以防止光吸收层500的性能由于缺少VI族元素而下降，从而形成具有改进的特性的光吸收层500。因此，根据实例的太阳能电池设备可以具有提闻的光电转换效率。另外，可以沉积后电极之间的剩余薄膜层410，以防止电池之间产生漏电流。因此，根据实施例的太阳能电池设备可以具有改进的电特性。此外，尽管示出和描述了本发明的优选实施例，但是本发明不限于上述具体实施例，并且在不脱离本实施例基本特性的范围内，本领域技术人员可以进行各种变型或应用。例如，在实施例中具体表示的各实施要素可变更实施，这些变更与应用有关的不同之处应理解为包含于权利要求书限定的本发明的保护范围内。工业应用性根据实施例的太阳能电池设备可以应用于各种太阳能电池领域。
权利要求
1.一种太阳能电池设备，包括 衬底； 后电极层，布置在所述衬底上； 薄膜层，布置在所述后电极层上，所述薄膜层包含基于VI族的元素； 光吸收层，布置在所述薄膜层上；以及 前电极层，在所述光吸收层上。
2.根据权利要求I所述的太阳能电池设备，其中，在所述后电极层中限定多个通孔，并且所述薄膜层布置在所述通孔内部。
3.根据权利要求I所述的太阳能电池设备，其中，所述薄膜层中包含硒。
4.根据权利要求I所述的太阳能电池设备，其中，在所述后电极层与所述薄膜层之间包括合金层。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池设备，其中，所述合金层包括硒化钥。
6.根据权利要求I所述的太阳能电池设备，其中，所述光吸收层包括基于I族、III族、VI族的化合物；并且 所述光吸收层的基于VI族的元素的组分沿着远离所述薄膜层的方向逐渐增多。
7.根据权利要求I所述的太阳能电池设备，其中，所述薄膜层的厚度为约IOnm到约IOOnm0
8.一种太阳能电池设备，包括 衬底； 后电极层，布置在所述衬底上； 光吸收层，布置在所述后电极层上，所述光吸收层包含基于I族、III族、VI族的化合物；以及 前电极层，布置在所述光吸收层上， 其中，所述光吸收层包括 毗邻所述后电极层的第一区域，所述第一区域包含第一组分的基于VI族的元素；以及布置在所述第一区域上的第二区域，所述第二区域包含小于所述第一组分的第二组分的基于VI族的元素。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池设备，其中，所述基于VI族的元素包括硒。
10.根据权利要求8所述的太阳能电池设备，包括布置在所述后电极层与所述光吸收层之间的薄膜层，所述薄膜层包含基于VI族的元素。
11.根据权利要求I所述的太阳能电池设备，其中，所述基于VI族的元素沿着所述第二区域具有均匀的组分。
12.根据权利要求11所述的太阳能电池设备，其中，所述第二区域的厚度对应于所述光吸收层的厚度的约80%至约99%。
13.—种太阳能电池设备的制造方法，所述方法包括 在衬底上形成后电极层； 在所述后电极层上形成包含基于VI族的元素的薄膜层； 在所述薄膜层上提供基于I族的元素和基于III族的元素，从而在所述后电极层上形成包含基于I族、III族、VI族的化合物的光吸收层；以及在所述光吸收层上形成前电极层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述薄膜层包含硒。
15.根据权利要求13所述的方法，包括在所述薄膜层与所述后电极层之间形成包括硒化钥的合金层。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述后电极层与所述薄膜层的厚度之比为约1:4 到约 1:5。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述基于I族的元素包括铜，所述基于III族的元素包括镓或铟。
18.根据权利要求13所述的方法，包括在所述后电极层中形成多个通孔， 其中，所述薄膜层形成在所述通孔中。
全文摘要
公开了一种太阳能电池设备及其制造方法。所述太阳能电池设备包括衬底；后电极层，布置在所述衬底上；薄膜层，布置在所述后电极层上，所述薄膜层包含基于VI族的元素；光吸收层，布置在所述薄膜层上；以及前电极层，布置在所述光吸收层上。
文档编号H01L31/042GK102725862SQ201080054295
公开日2012年10月10日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者池奭宰, 金敬岩 申请人:Lg伊诺特有限公司